ОТЧЕТ
О прохождении практики по получению профессиональных умений и опыта профессиональной деятельности
Гришина Елизавета Денисовна
(Ф.И.О. обучающегося)
3 курс, 4731601/70602
(номер курса обучения и учебной группы)
16.03.01 Техническая физика
(направление подготовки (код и наименование))
Место выполнение лабораторных исследований:
ФГАОУ ВО «СПбПУ» НОЦ «ФОМБТ», Лаборатория Молекулярной Нейродегенерации
(указывается наименование профильной организации или наименование структурного подразделения)
194021, г. Санкт-Петербург, Хлопина ул., д. 11, корп. 1, лит. А
(фактический адрес)
Срок прохождения практики: с 24.06.2020 по 21.07.2020
Руководитель от ФГАОУ ВО «СПбПУ»: Рязанцева Л.Т
доц. ВШБСиТ (подпись)
Студент: Гришина Е.Д.
(подпись)
Оценка: зачёт
Дата: 21.07.2020
Введение
Болезнь Хантингтона - это аутосомно-доминантное нейродегенеративное заболевание, вызванное увеличением тринуклеотидных цитозин-аденин-гуаниновых повторов (CAG) в гене, который кодирует белок хантингтин (ХТТ). В норме в человеческой популяции встречается от 10 до 35 повторов. У пациентов с БХ количество повторов может быть от 36 до 121, при ювенильной форме — от 50 и выше. В результате эти изменения приводят к токсическому увеличению функции в белке ХТТ, аберрантному протеолизу и последующему появлению N-терминальных мутантных фрагментов хантингтина [1].
Впервые заболевание было описано в 1872 г. американским врачом Дж. Хантингтоном. Некоторые из самых ранних поведенческих симптомов, вызванных болезнью, включают перепады настроения, депрессию, а также нарушение памяти и способностей к обучению. По мере прогрессирования заболевания снижается концентрация на интеллектуальных задачах, наблюдается деменция. В течение этого времени у больных также развиваются тяжелые двигательные нарушения, в том числе появление периодических самопроизвольных движений, мышечных сокращений или хореи. Среди всех симптомов у пациентов с БХ, как и у мышей с моделью заболевания, когнитивная дисфункция является первым наиболее явным признаком. Познавательная способность тесно связана с синаптической функцией и пластичностью, а ХТТ экспрессируется в дендритах и синапсах. Фактически, ХТТ образует агрегаты в этих субклеточных компартментах. Более того, ХТТ взаимодействует с несколькими пре- и постсинаптическими белками, участвующими в транспорте пузырьков, интернализации рецепторов и контроле синаптической функции.
Когнитивные нарушения при болезни Хантингтона
Чтобы выявить когнитивный дефицит и оценить его прогрессивность были проведены исследования на пациентах и на мышах с моделью БХ. К сожалению, исследования на людях были сосредоточены в основном на кортико-стриатальной функции и реже на формировании гиппокампа или других областях мозга. Тем не менее, некоторые когнитивные возможности и способности включают гиппокамп допонительно к кортико-стриатальной функции. Данные исследований на мышиной модели показывают, что синаптические изменения пластичности обнаруживаются не только в полосатом теле, но и в самом гиппокампе [2], что может объяснить связанные с гиппокампом когнитивные нарушения, наблюдаемые у этих животных. Кроме того, изменения синаптической пластичности или активности в других областях мозга, таких как таламус, также могут объяснять снижение когнитивных функций, наблюдаемое у пациентов с ГБ [3].
Кортико-стриатальные нарушения
Одни из наиболее распространенных и устойчивых когнитивных нарушений у пациентов с БХ на предсимптомных стадиях выражены в сложности решении задач, требующих изменения стратегий и вовлекающих кратковременную память [4]. Примечательно, что ошибочный ответ на задачу может быть обусловлен неспособностью ингибировать ранее выученный ответ, процесс, который считается опосредованным стриатумом [3]. На предсимптомных стадиях у пациентов с БХ также наблюдаются нарушения исполнительных функций, беглости речи и моторно-двигательного обучения [4], внимание, приобретение психомоторных навыков, планирование память постепенно снижаются [3]. На более поздних стадиях заболевания постепенно развивается подкорковая деменция с изменениями в некоторых простых и сложных когнитивных функциях, включая медленную обработку информации, снижение мотивации, депрессию, апатию и изменения личности [3].
Нарушение кортико-стриатальной функции у пациентов с БХ также подтверждается исследованиями нейровизуализации. Исследование с использованием функциональной магнитно-резонансной томографии людей с симптомами БХ показывает изменения в модели решения задач на время реакции относительно контроля. Эти изменения соотносятся с уменьшением активности лобной коры головного мозга, скорлупа у пациентов с БХ также неизменно активируется по сравнению с контрольной группой [3]. У пациентов с БХ на ранних стадиях заболевания нарушена исполнительная функция, что ассоциируется с атрофией хвостата и скорлупы [3]. Пациенты с легкой формой БХ демонстрируют меньшую активацию дорсо- и вентро-латеральной префронтальной коры, левой нижней теменной коры и левой части скорлупы во время параметрического задания вербальной рабочей памяти [3]. Это снижение активности находится в прямой зависимости с потерей серого вещества в этих областях мозга и с более низкой точностью выполнения задач [3]. Снижение кровотока в хвостатой, теменной и лобной коре у пациентов с БХ средней стадии, которое оценивается с помощью однофотонной эмиссионной компьютерной томографии высокого разрешения, соотносится с ухудшенными показателями в различных нейропсихологических когнитивных тестах [3]. Также было обнаружено, что снижение связывания дофамина в полосатом теле у пациентов с легкой и средней стадией БХ коррелирует с дефицитом зрительно-пространственных навыков, эпизодической памяти, беглости речи и рассуждений [3].
Нарушение нейрогенеза в гиппокампе
Гиппокамп является ключевым структурным элементом лимбической системы и интенсивно исследуется как посредник обучения и памяти. Также считается, что нарушение пластичности нейронов гиппокампа лежит в основе развития депрессивного поведения [5]. Относительно функциональной значимости нейрогенеза гиппокампа были и продолжают существовать споры. Были выдвинуты гипотезы о том, что нарушенный нейрогенез вызывает развитие депрессии и что эффективность антидепрессантов также зависит от нейрогенеза гиппокампа [5]. Подтверждение (или опровержение) «гипотезы нейрогенеза» депрессии окажет влияние не только на наше понимание патогенных механизмов, но и на разработку новых методов лечения. Недавние исследования с использованием трансгенных мышей БХ могут дополнительно обосновать гипотезу нейрогенеза о депрессии и обеспечить доклиническое направление для более эффективного БХ лечения [5].
На протяжении всей взрослой жизни отдельные области мозга млекопитающих сохраняют способность генерировать новые нейроны, процесс, называемый нейрогенезом. Эти области включают в себя субвентрикулярную зону (SVZ) и субгранулярную зону (SGZ) зубчатой извилины гиппокампата (DG). В SGZ новые гранулярные нейроны функционально интегрируются в существующую цитоархитектуру и расширяют аксональные проекции в область CA3 гиппокампа. Взрослый нейрогенез происходит в субгранулярной зоне, и эти взрослые нейрональные стволовые клетки были предложены в качестве эндогенного источника здоровых клеток для лечения нейродегенеративных заболеваний [1].
Процесс нейрогенеза у взрослых (AHN) является жизненно важным для некоторых форм нормального когнитивного функционирования, таких как пространственное обучение и память, и недавние исследования показали, что нейрогенез нарушается при ряде нейродегенеративных расстройств, которые включают: болезнь Альцгеймера, Болезнь Паркинсона и Болезнь Хантингтона.
Нейрогенез гиппокампа у взрослых представляет собой высоко регулируемый многошаговый процесс, включающий пролиферацию нейрональных стволовых клеток/клеток-предшественников, дифференцировку и миграцию нейронов, и, наконец, созревание и интеграцию нейронов в схему гиппокампа [5]. Целый ряд факторов направлен на регулирование этих этапов, чтобы повлиять на темп AHN. Основа для гипотезы нейрогенеза о депрессии вытекает из результатов, показывающих, что нейротрансмиттерные системы, которые участвуют в развитии и лечении депрессии, также регулируют уровни AHN [5]. Было обнаружено, что различные модели трансгенных грызунов БХ проявляют аффективные и когнитивные нарушения, которые прослеживаются в клинических испытаниях среди пациентов с БХ. Например, трансгенные линии R6/1 и R6/2 мышей с БХ имеют поведенческий дефицит, который включает нарушение пространственного познания, зависящего от гиппокампа [5]. Однако депрессивное поведение проявляется у мышей R6/1 БХ до когнитивных и двигательных симптомов [5].
Серотонин является ключевой нейромедиаторной системой, участвующей в этиологии и лечении депрессивных расстройств. Селективные ингибиторы поглощения серотонина (SSRIs), такие как флуоксетин (прозак) и сертралин, продолжают оставаться основными фармакологическими препаратами для лечения депрессивного расстройства [5]. Основным механизмом действия антидепрессантных препаратов группы SSRIs является усиление серотонинергической нейротрансмиссии путем ингибирования синаптического клиренса. Аналогично частоте депрессии пациентов с БХ, депрессивно-подобное поведение проявляется у мышей R6/1 [5]. Анализ мышей R6/1 с БХ показал снижение пролиферации стволовых клеток/клеток-предшественников гиппокампа, что привело к общему снижению AHN [5]. Введение флуоксетина мышам R6/1 спасло чистый AHN и улучшало депрессивно-подобное поведение и гиппокампально-зависимый когнитивный дефицит [5]. Таким образом, нарушение серотонинергической функции в гиппокампе мышей R6/1 может играть причинную роль в снижении AHN.
Модель БХ у мышей с дрожжевой искусственной хромосомой (YAC) содержит полноразмерный мутантный ген хантитин человека с различной длиной CAG-повторов [5]. Аналогично трансгенной линии R6, у мышей YAC-128 (128 CAG-повторов) также развиваются депрессивно-подобные поведенческие симптомы и гиппокампально-зависимый когнитивный дефицит [5]. В отличие от исследования на R6/1, флуоксетин не оказывал существенной эффективности в устранении депрессивно-подобных симптомов у мышей YAC-128 [5]. Исследования показали, что дефицит нейрогенеза гиппокампа у взрослых мышей YAC-128 прогрессирует в возрасте, совпадающем с проявлением депрессивно-подобного поведения. Прогрессирующий дефицит AHN, более тесно коррелирует с нарушениями пространственной памяти и обучения у мышей YAC-128. Таким образом, для всех моделей БХ-мышей исследуемый AHN является аномальным, что позволяет предположить, что это устойчивый эффект мутации гена БХ [5].
Другим молекулярным коррелятом патогенеза в гиппокампе мышей R6/1, который может способствовать дефициту AHN, а также аффективным и когнитивным нарушениям, является сниженный нейротрофический фактор мозга (BDNF) [5]. BDNF является мощным стимулятором нейрогенеза у взрослых. В частности, BDNF ассоциирован с синаптической пластичностью гиппокампа и нейрогенезом и вовлечен в усиление зависимой от гиппокампа когнитивной сопсобности. Таким образом, наряду с обсуждаемой выше серотонинергической дисрегуляцией, BDNF и связанные с ним сигнальные пути являются возможными кандидатами для объяснения дефицита AHN у мышей с БХ. Возможно, нарушение регуляции BDNF может способствовать аффективному и когнитивному дефициту независимо от воздействия на AHN, хотя это еще предстоит проверить экспериментально. Эти и другие результаты привели к тому, что BDNF считается терапевтической мишенью для различных психиатрических и неврологических расстройств [5].
Нынешние данные о мышах R6/1 показывают, что, несмотря на снижение чистых показателей AHN, пролиферация не меняется в возрасте, совпадающем с наличием депрессивного поведения. В совокупности эти данные согласуются с возможностью того, что специфический дефицит пролиферации гиппокампа способствует подмножеству когнитивного дефицита и/или депрессивно-подобного поведения, которое можно смягчить путем восстановления уровней пролиферации.
Заключение
Изучение молекулярных механизмов, которые лежат в основе когнитивных нарушений на моделях БХ-мышей, демонстрирует, что многие молекулярные пути, на которые влияет ХТТ, являются общими для различных типов нейронов. Это знание приведет к терапевтическим достижениям, так как возникает вероятность того, что одно и то же лечение может улучшить как когнитивные, так и моторные симптомы. Поскольку когнитивный дефицит, обнаруженный на моделях мышей, напоминает дефицит, наблюдаемый у пациентов с БХ, это стимулирует поиск новых терапевтических подходов, поскольку методы лечения, улучшающие фенотип на моделях мышей, также должны быть эффективными при патологии человека. Кроме того, также важно проверить, является ли фармакологическое лечение одинаково эффективным, если оно начато до или после появления когнитивных и моторных симптомов.
Обнаружение и характеристика нейрогенеза у взрослых в гиппокампе млекопитающих выявили несколько гипотез относительно его физиологической роли. Полученные в результате исследований данные свидетельствуют о том, что AHN способствует определенным когнитивным процессам, таким как пространственное разделение паттернов. Открытие того факта, что фармакологические антидепрессанты стимулируют нейрогенез гиппокампа, дало значительный импульс для формирования гипотезы нейрогенеза о депрессии. Гипотеза остается противоречивой и требует дальнейшего изучения на проверенных животных моделях. Психологические и когнитивные симптомы БХ являются одними из самых ранних и наиболее разрушительных в этой неизлечимой болезни. В то время как дефицит нейрогенеза у взрослых может вносить вклад, другие клеточные процессы, такие как синаптическая функция и пластичность, как известно, нарушаются в моделях мышей с БХ и, вероятно, участвуют в формировании специфической психологической системы.
Список литературы
1. Jessica M. Simpson, Joana Gil-Mohapel, Mahmoud A. Pouladi, Mohamed Ghilan, Yuanyun Xie, Michael R. Hayden, Brian R. Christie Altered adult hippocampal neurogenesis in the YAC128 transgenic mouse model of Huntington disease. Neurobiology of disease 2011; 42: 249-260.
2. Cepeda C, Wu N, Andre VM, Cummings DM, Levine MS.The corticostriatal pathway in Huntington’s disease. Prog Neurobiol. 2007;81(5-6):253-71.
3. Albert Giralta, Ana Saavedraa, Jordi Albercha and Esther Perez-Navarro. Cognitive Dysfunction in Huntington’s Disease: Humans, Mouse Models and Molecular Mechanisms. Journal of Huntington’s Disease 2012; 1: 155–173.
4. Ho AK, Sahakian BJ, Brown RG, Barker RA, Hodges JR, Ane MN, et al. Profile of cognitive progression in early Huntington’s disease. Neurology 2003;61(12): 1702-6.
5. Mark I. Ransome, Thibault Renoir and Anthony J. Hannan. Hippocampal Neurogenesis, Cognitive Deficits and Affective Disorder in Huntington’s Disease. Neural Plasticity 2012, 7 pages.